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1、第四节 河水的运动一、河水的运动状态一、河水的运动状态二、河水的纵向运动二、河水的纵向运动三、河水的环流运动三、河水的环流运动四、河流的泥沙运动四、河流的泥沙运动4/7/2023一、河水的运动状态一、河水的运动状态p水流的运动状态（流态）层流与紊流层流：全部水流呈平行流束运动，即水质点运动的轨迹线（流线）平行，在水流中运动方向一致，流速均匀；紊流：水流中每个水质点运动速度与方向均随时随地都在变化，而且其变化是围绕一个平均值上下跳动的。4/7/2023雷诺实验装置流量节制阀A补充墨水阀B4/7/2023天然河道的水流一般均呈紊流状态。紊流最基本的特征是，即使在流量不变的情况下，流量中任一点的流速
2、和压力也随时间呈不规则的脉动。紊流的另一个特性是具有扩散性能。实验可见，紊流能把带色的溶液扩散到全管，使其与管中不带色的水体充分混合，紊流的这种扩散作用，也称紊动扩散作用，它能够在水层之间传送动量、热量和质量。4/7/2023二、河水的纵向运动二、河水的纵向运动（一）洪水波的概念洪水期河水沿程的纵向运动过程，除了原来的稳定水流以外，还应加上河槽中洪水波的运动过程。河水的水位、流量及流速等不仅沿程不一，而且随时都在变化，原来稳定的水面受到干扰而形成波动，这就是洪水波。4/7/2023二、河水的纵向运动二、河水的纵向运动（一）洪水波的概念附加比降i：洪水波水面相对于稳定流水面的比降。ii-i0洪水
3、波位相：洪水波轮廓线上的每一点所占据的相对位置。波长波高波峰波后波前4/7/2023（二）洪水波的推移与变形相应于一定位相的流量，称为相应流量。相应流量的数值并非固定不变。洪水波体上某一位相点沿河道的运动速度，称为该位相点的波速。一般说洪水波各位相点的波速是不相同的，因此，洪水波的运动并不是正平移运动。波前的比降大于波后比降，即波前水体运动速度大于波后。AB4/7/20231.洪水波的推移运动洪水波上任一位相的水位（或流量），在河段下段面出现的时间总是迟于在上断面出现的时间。这个时间差，称为该位相的水位（或流量）的传播时间t。2.洪水波的展开与扭曲变形洪水波的展开波长相对增大，波高则逐渐减小。
4、洪水波的扭曲波前长度逐渐减小，比降不断增大，波峰位置不断超前，而波后长度逐渐拉开，比降逐渐平缓。t1t2004/7/2023（三）洪水演进的特征在无支流汇入的平整河段中，仅有单一洪水波时，在任何断面上各最大值出现的次序为：最先出现最大比降，其次出现最大流速，再次出现最大流量，最后出现最高水位。水位与流量的关系逆时针绳套型关系曲线QH4/7/2023三、河水的环流运动三、河水的环流运动河水内部的不同水质点或水团，在重力、惯性离心力及地转偏向力等的综合作用下，呈螺旋状下移，或是漩涡状运动，这种现象统称为水内环流。环流对于泥沙运动和河床演变有重要的影响，它是引起泥沙横向输移的主要动力，是形成河槽形状
5、多样化的主要原因。4/7/20234/7/2023（一）环流的类型根据环流的形态，将环流划分为纵轴环流横轴环流斜轴环流竖轴环流（二）环流结构对泥沙运动的影响4/7/20231.纵轴环流纵轴环流的旋转轴呈水平状，并基本上与纵向主流方向平行。这种环流多与纵向水流结合在一起，成为螺旋流。根据形成环流动力因素的差异，纵轴环流又分弯道螺旋流与复合螺旋流两种。4/7/20234/7/20232.横轴环流横轴环流的旋转轴呈水平状，它与纵向的主流相垂直。横向环流多为相对封闭的回旋流。补偿流桥墩挡水建筑物O4/7/20233.斜轴环流斜轴环流的旋转轴也呈水平状，它与纵向主流斜交。竖轴环流的旋转轴呈铅直方向与主流
6、及河底相垂直，是相对封闭的回旋流。4.竖轴环流（旋涡、涡流）斜轴环流竖轴环流4/7/2023四、河流的泥沙运动四、河流的泥沙运动基本概念：河流泥沙河流泥沙：是指组成河床和随水流运动的矿是指组成河床和随水流运动的矿物、岩石固体颗粒。物、岩石固体颗粒。固体径流固体径流：随水流运动的泥沙。随水流运动的泥沙。侵蚀模数：侵蚀模数：即每平方千米面积上，每年侵蚀即每平方千米面积上，每年侵蚀下来并汇入河流的泥沙下来并汇入河流的泥沙量量（t/km2a）。）。4/7/2023含沙量：含沙量：即单位体积浑水中所含泥沙的重量即单位体积浑水中所含泥沙的重量(kg/m3)。黄河中游黄土高原区，水土流失面积黄河中游黄土高原
7、区，水土流失面积43万万km2。支流窟野河的实测量大含沙量高达。支流窟野河的实测量大含沙量高达1.5tm3，皇甫川流域侵蚀模数高达皇甫川流域侵蚀模数高达19 200t(km2a)。大量泥沙随水流注入河中大量泥沙随水流注入河中至平原地区，水至平原地区，水流缓慢，大部分泥沙淤积于河床；直接影响水流缓慢，大部分泥沙淤积于河床；直接影响水库寿命和效益；影响灌渠输水能力和河流通航库寿命和效益；影响灌渠输水能力和河流通航以及港口开发利用。以及港口开发利用。河流河流泥沙特性泥沙特性：包括颗粒的大小、形状、容包括颗粒的大小、形状、容重及泥沙的水力特性。重及泥沙的水力特性。4/7/2023（一）泥沙的水力特性泥
8、沙的沉降速度（水力粗度，沉速）（cm/s）：泥沙颗粒在静水中下沉时，由于重力作用起初具有一定的加速度，随着下沉速度的增加，下沉的阻力也渐渐增大，当下沉速度达到某一极限值时，阻力与重力恰好相等，则泥沙以均匀速度下沉，这是泥沙的运动速度，即称为泥沙的沉降速度。随水运动的泥沙沉降速度越大，沉淀于河床的倾向性越大；组成河床的泥沙，如果其沉降速度越大，则抗冲性越强。4/7/2023泥沙在水中的运动状态推移质（底沙）悬移质（悬沙）河床质（床沙）4/7/2023（二）推移质运动几个特征速度：启动流速 床沙推移质止动速度 推移质床沙扬动速度 推移质悬移质实验表明，最小的起动流速发生在粒径 d0.2 毫米处，大
9、于此粒径时，重力作用占主导地位，故粒径越大，起动流速越大；小于此粒径，粘结力占主导地位。4/7/2023推移质的运动形式：单体运动滑动，滚动，跳跃群体运动沙波运动推移质输沙率指单位时间内通过河槽单宽的推移质数量，其单位为：千克/米秒或米3/米秒。如果上游推移质来量小于本河段推移质输沙率，就形成冲刷；反之，则发生淤积。4/7/2023（三）悬移质运动紊动作用与重力作用矛盾统一的关系。紊动作用与重力作用矛盾统一的关系。悬移质的分布与变化悬移质的分布与变化悬移质含沙量沿垂线的分布悬移质含沙量沿垂线的分布具有自水面向河具有自水面向河底增加的趋势。泥沙的粒径也是近河底的较大，底增加的趋势。泥沙的粒径也是近河底的较大，向上逐渐变小。向上逐渐变小。含沙量沿河流纵向变化含沙量沿河流纵向变化向下游逐渐变小。向下游逐渐变小。水流挟沙能力：单位水体积的饱和含沙量水流挟沙能力：单位水体积的饱和含沙量（kg/m3）。）。4/7/2023